机械原理课程设计玻璃瓶印花机构及传动装置.docx
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机械原理课程设计玻璃瓶印花机构及传动装置
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：
玻璃瓶印花机构及传动装置
设计者：
学号：
专业班级：
机械工程及自动化班
指导教师：
完成日期：
2011年12月10日
目录
一设计题目
1.1设计目的…………………………………………………………1
1.2设计题目…………………………………………………………1
1.3设计条件及设计要求……………………………………………2
二执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解………………………………………2
2.2方案选择与分析…………………………………………………2
2.3执行机构设计……………………………………………………14
2.4机械系统方案设计运动简图……………………………………20
三传动系统方案设计
3.1传动方案设计……………………………………………………21
3.2电动机的选择……………………………………………………23
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………24
3.4传动装置的运动和动力参数计算………………………………24
四设计小结……………………………………………………………26
五参考文献……………………………………………………………28
一设计题目
1.1设计目的
机械原理课程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是一个重要的实践性教学环节。
设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计（机构运动简图设计）有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术资料诸方面的能力，以及利用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。
机械原理课程设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
1.2设计题目：
玻璃瓶印花机构及传动装置
玻璃瓶印花机需要完成三个执行动作：
置瓶座（玻璃瓶用人工依顺序装放于座中）作单向间歇（向左）直线移动；定位压块作水平方向的往复移动，以便压紧瓶颈端面或松开；下端装有上墨系统的印花弧形图章上下往复移动。
通过三个执行动作的配合完成玻璃瓶印花工作。
印花过程的工作要求是：
当置瓶座中的玻璃瓶由输送链（或带）移进工作位置后，停止前进，压瓶定位压块开始左移，并压紧瓶颈，使得玻璃瓶固定。
此时，上方的印花弧形图章已向下移动，并压在瓶子柱面上，停止片刻后，印花完毕。
然后，图章上移，定位压块右移松开，输送链带着瓶移开工作位置，后一个瓶又进入工作位置，开始第二次的印花循环过程。
印花后的瓶经烘干后，自动装入专用包装箱内。
1.3设计条件及设计要求
分配轴转速n（r/min）
15
分配轴转矩M（N·mm）
280
玻璃瓶单程移距（mm）
110
印花图章上下移距（mm）
50
定位压块左右移距（mm）
20
（1）工作条件：
2班制，工作环境良好，有轻微振动；
（2）使用期限十年，大修期三年；
（3）生产批量：
小批量生产（<20台）；
（4）带传动比i≤3；
（5）采用Y型电动机驱动。
（6）分配轴：
与减速器输出轴相连接（各执行机构的输入轴）
二、执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解
1）功能分解
为了实现玻璃瓶印花的总功能，将功能分解为：
玻璃瓶输送功能、玻璃瓶定位功能、印花功能。
2）工艺动作过程
要实现上述分功能，有下列工艺动作过程：
（1）利用间歇机构带动传送链（带）将玻璃瓶输送到指定位置，玻璃瓶到位后，间歇机构停歇等待下一循环。
（2）玻璃瓶定位机构向左移动，压紧瓶颈，使得玻璃瓶固定。
（3）印花机构向下移动，压在瓶子柱面上，停止片刻后，印花机构上移。
（4）玻璃瓶定位机构向右移动，松开瓶颈。
（5）间歇机构带动传送链（带）将玻璃瓶移开工作位置，开始第二次印花循环过程。
2.2方案选择与分析
1.概念设计
根据以上功能分析，应用概念设计的方法，经过机构系统搜索，可得“形态学矩阵”的组合分类表，如表1所示。
表1组合分类表
玻璃瓶输送功能
间歇机构
组合机构
玻璃瓶定位功能
曲柄滑块机构
组合机构
凸轮机构
印花功能
组合机构
凸轮机构
可满足机构总功能的机械系统运动方案有N个，即N＝2×3×2个＝12个。
运用确定机械系统运动方案的原则与方法，来进行方案分析与讨论。
2.方案选择
1）、印花机构
方案一方案二
功能分析：
满足功能要求，有间隙运动，功能分析：
采用曲柄摇杆机构，将
但加工困难成本高。
整体机构尺寸小，转动副变成移动副。
存在间隙运
原理简单。
但间隙运动较短。
方案三方案四
功能分析：
平面四杆机构带动槽行功能分析：
满足功能要求，运动平稳
凸轮上下移动实现印花动作。
机构简单制作方便，成本较低。
但结
构尺寸大，运动精度低。
方案五
功能分析：
此种机构扩大了运动行程，降低了
移动杆的移动速度从而增加了间歇时间。
方案六
功能分析：
满足间歇运动，但间隙时间过长。
运动复杂性一般，要求定位
准确性高，运动尺寸小，工作平稳。
方案七
功能分析：
如图所示，由曲柄1的转动带着滚子2在圆弧槽中的运动，进而带动连杆三的左右摆动带动滑块上下运动，实现了印花图章的印花工作。
2）、置瓶座做单向间歇直线机构
方案一
功能分析：
不完全齿轮机构由主动轮、从动轮和机架组成。
实际上不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。
它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。
不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。
两轮轮缘上各有锁止弧，在从动轮停歇期间，用来防止从动轮游动，并起定位作用。
不完全齿轮机构从动轮运动的角度变化范围较大，设计较灵活，易实现一个周期中的多次动、停时间不等的间歇运动。
但加工复杂，主、从动轮不能互换，在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速传动。
方案二
功能分析：
槽轮机构由具有圆柱销的主动销轮、具有直槽的从动槽轮及机架组成。
从动槽轮实际上是由多个径向导槽所组成的构件，各个导槽依次间歇地工作由主动销轮利用圆柱销带动从动槽轮转动，完成间歇转动。
主动销轮顺时针作等速连续转动，当圆销未进入径向槽时，槽轮因内凹的锁止弧被销轮外凸的锁止弧锁住而静止；圆销进入径向槽时，两弧脱开，槽轮在圆销的驱动下转动；当圆销再次脱离径向槽时，槽轮另一圆弧又被锁住，从而实现了槽轮的单向间歇运动。
优点：
槽轮机构的结构简单，外形尺寸小，其机械效率高，并能较平稳地，间歇地进行转位。
缺点：
因转动时存在柔性冲击，故常用于速度不太高的场合，我们所要设计的印花机构所需要的转速为20r/min。
转速不高，此缺点可以忽略。
方案三
功能分析：
不完全齿轮1做主动轮顺时针转动，用其轮齿交替的与从动齿条2和不完全齿轮3啮合，可使齿条做间歇往复移动，当齿轮1的有齿部分在顺时针转动时先与齿条啮合使之右移；脱开后，1的有齿部分与齿轮3啮合，齿轮3带动齿条向左移，脱开后，齿条停歇，齿轮1每转动一周从动齿条往复移动一次，改变齿轮1上的齿数可调节齿条的停歇时间。
3）、定位压块机构的设计
方案一
功能分析：
通过四杆机构运用弹簧的弹力来满足功能要求，但运动行程大运动效率低。
方案二
功能分析：
传动平稳运动精度高，满足间歇运动，定位准确。
但加工困难成本高。
·
方案三
功能分析：
通过曲拐机构的转动带动滑块的移动，压缩过程有短暂的间歇（通过摆杆实现）满足功能要求，易于加工成本低。
方案四
功能分析：
压紧时四件机构处于水平伸长位置，运用死点机构将瓶子压紧压紧时存在间歇。
制作简单方便易行精确度高。
方案五
功能分析：
不完全齿轮1做主动轮顺时针转动，用其轮齿交替的与从动齿条2和不完全齿轮3啮合，可使齿条做间歇往复移动，当齿轮1的有齿部分在顺时针转动时先与齿条啮合使之右移；脱开后，1的有齿部分与齿轮3啮合，齿轮3带动齿条向左移，脱开后，齿条停歇，齿轮1每转动一周从动齿条往复移动一次，改变齿轮1上的齿数可调节齿条的停歇时间。
方案六
功能分析：
采用摆杆凸轮机构，缩小了运动行程增加了间隙时间，加工容易运动准确性高定位准确。
方案七
功能分析：
采用盘形滚子凸轮机构，通过电机的转动带动凸轮的转动，进而实现左右的往复运动。
合理安排凸轮尺寸，可以实现往复的间歇运动。
3.执行机构运动方案的形成
机器中各工作机构都可按前述方法构思出来，并进行评价，从中选出最佳的方案。
将这些机构有机地组合起来，形成一个运动和动作协调配合的机构系统。
为使各执行构件的运动、动作在时间上相互协调配合，各机构的原动件通常由同一构件（分配轴）统一控制。
1）槽凸轮印花机构，槽轮输送机构，不完全齿轮定位机构
如图1所示，印花机构是由槽凸轮机构组成的。
输送机构由槽轮机构完成。
定位机构由摇杆机构和弹簧滑块机构组成。
通过控制不完全齿轮可以控制定位的时间和滑块的移动距离。
2）凸轮—弹簧印花机构，不完全齿轮输送机构，摇杆-移动凸轮定位机构
如图2示，印花机构是由凸轮机构和弹簧组合而成的。
输送机构由不完全齿轮机构完成。
定位机构由摇杆机构和移动凸轮滑块机构组成。
图2
3）槽凸轮印花机构，槽轮输送机构，槽凸轮定位机构
如图3所示，印花机构是由槽凸轮机构组成的。
输送机构由槽轮机构完成。
定位机构由槽凸轮机构组成。
图三
4．机构组合方案的确定
由于完成印花机构三个基本动作中都需要短暂的间歇或长时间的间歇运动
考虑以上功能的运动要求在我制定的三个方案中都满足功能要求但由于方案二中压紧装置采用圆柱槽轮机构，考虑到加工困难，制作成本高等因素其次尺寸过大受力不平衡因此不选方案二;方案三中在印花机构中由于印花时间过长影响后面的运动导致印花质量下降其次在不完全齿轮在同一个周期只能存在两次间歇因此效率低：
方案一中采用槽轮印花机构，满足功能要求。
采用槽轮机构运送可以实现间歇运动。
采用不完全齿轮压紧机构来压紧均满足要求。
方案一的各机构运动循环过程；
首先槽轮带动传送带运动，传送带带动置平座运动。
其次压紧装置开始压紧瓶子起到定位作用。
此后印花机构开始印花。
在一个循环中完成三个动作。
2.3执行机构设计
1.执行机构设计
执行机构分别为：
①槽凸轮印花机构
②槽轮输送机构
摇杆-弹簧滑块定位机构
印花机构的设计:
凸轮机构的设计；
输送机构的设计:
槽轮机构的设计；
定位机构的设计:
摇杆机构的设计；
1）印花机构的设计
凸轮机构设计
作图法：
凸轮推程运动角Φ取150°左右，远休止角Φs取30°左右，回程运动角Φ′取与推程运动角Φ相等，近远休止角Φs′取30°左右。
升程h取50mm。
为了防止出现刚性冲击，故采用等加速等减速运动规律。
设计结果如图五
图五
其中基圆半径R1=10mm，滚子半径r=5mm。
图1、2为两极限图3为任意一位置。
2）输送机构的设计
槽轮机构设计
其φ1角取90°。
尺寸设计：
由于槽轮机构具有如下特点：
（1）具有n个槽的的槽轮机构，当原动件回转一周槽轮转过1/n周
（2）销轮上均匀分布Z个圆销时，销轮转过2π/n角就完成了槽轮的一个运动循环。
一般来讲当Z=3时n=1～5，当Z=,4～5时n=1～3，当Z>=3时n=1～2，设计时根据需要来选择。
本机构中我选Z=4n=1初选中心距=130
槽轮槽间角ɸ2ɸ2=
=90°
对应槽轮槽间角的槽轮运动角ɸ1ɸ1=π—ɸ2=90°
圆销中心的回转半径R1R1=
圆销半径rr=
槽轮外圆半径R2
槽顶高AA=
槽轮槽长hh
槽顶侧壁厚ee=（0.6
～0.8）r但e
3mm
e=7mm
运动系数ＴＴ=
3）定位机构的设计
不完全齿轮机构位移-转角图
（1）不完全齿轮工作原理：
不完全齿轮1作主动轮顺时针转动，用其轮齿交替的与从动轮2和不完全齿轮3互相啮合可以使齿条作往复移动。
当齿轮1的有齿部分在顺时针转动时先与齿条啮合使之右移，脱开后1的有齿部分与齿轮3啮合，齿轮3带动齿条左移。
即可调节齿条的间隙运动。
（2）尺寸制定
由于不完全齿轮3与齿条2相当于齿轮齿条啮合，本例中要求齿条的左右移距l=20mm即l=npl=n.π.m=20经查表n=3（啮合齿数）m=2通过改变夹紧件的尺寸即可L=18.84mm也可以满足功能要求。
对齿条进行参数确定:
取Z=13;M=2;ha=ha*
m=2；hf=（ha*+c*）
m=2.5；p=π
m=6.28；
h=ha+hc=4.5；
对不完全齿轮进行参数设计
Z=24;则d=mz=48mm；da=d+2ha=52mm；df=d-2hf=43mm；db=d*cosα=45mm；
e=
=3.14mm；s=
=3.14mm；a=
=48mm；
对不完全齿轮1进行尺寸设计：
Z1=3；d=mz=48mm；da=d+2ha=52mm；df=d-2hf=43mm；e=
=3.14mm；s=
=3.14mm；
对不完全齿轮1进行尺寸设计：
Z1=10；d=mz=48mm；da=d+2ha=52mm；df=d-2hf=43mm；e=
=3.14mm；s=
=3.14mm；
图示3图中1、3为两极限位置2为任意一位置。
2.机构运动循环图
红色：
槽轮机构蓝色：
不完全齿轮机构洋红：
槽凸轮机构
2.4机械系统方案设计运动简图
三、传动系统方案设计
3.1传动方案设计
传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。
除进行功率传递，使执行机构能克服阻力作功外，它还起着如下重要作用：
实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动。
传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。
当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。
在保证实现机器的预期功能的条件下，传动环节应尽量简短，这样可使机构和零件数目少，满足结构简单，尺寸紧凑，降低制造和装配费用，提高机器的效率和传动精度。
根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。
根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。
机械系统的组成为：
原动机→传动系统（装置）→工作机（执行机构）
原动机：
Y系列三相异步电动机；
传动系统（机构）：
常用的减速机构有齿轮传动、行星齿轮传动、蜗杆传动、皮带传动、链轮传动等，根据运动简图的整体布置和各类减速装置的传动特点，选用二级减速。
第一级采用皮带减速，皮带传动为柔性传动，具有过载保护、噪音低、且适用于中心距较大的场合；第二级采用齿轮减速，因斜齿轮较之直齿轮具有传动平稳，承载能力高等优点，故在减速器中采用斜齿轮传动。
根据运动简图的整体布置确定皮带和齿轮传动的中心距，再根据中心距及机械原理和机械设计的有关知识确定皮带轮的直径和齿轮的齿数。
故传动系统由“V带传动+二级圆柱斜齿轮减速器”组成。
原始数据：
已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
nW=15（r/min）
转矩：
Mb=580（N·m）
3.2电动机的选择
1）选择电动机类型
按已知工作要求和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动。
2）选择电动机容量
a．工作轴输出功率：
PW=Mω/1000（KW）
ω=πnW/30=10π/30=1.57（rad/s）
PW=Mω/1000=580×1.57/1000=0.91KW
注：
工作轴——执行机构原动件轴。
b．所需电动机的功率：
Pd=PW/ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
查表可得：
对于V带传动:
η带=0.96
对于8级精度的一般齿轮传动：
η齿轮=0.97
对于一对滚动轴承：
η轴承=0.99
对于弹性联轴器：
η联轴器=0.99
则
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
=0.96×0.993×0.972×0.99
=0.868
∴ Pd=PW/ηa=0.91/0.868=1.049KW
查各种传动的合理传动比范围值得：
V带传动常用传动比范围为i带=2～4，单级圆柱齿轮传动比范围为i齿=3～5，则电动机转速可选范围为
nd=i带×i齿2×nW
=（2～4）（3～5）2×nW
=（18～100）×nW
=（18～100）×15
=270～1500r/min
符合这一转速范围的同步转速有750r/min和1000r/min两种，根据容量和转速，由有关手册查出两种适用的电动机型号。
因此有三种传动比方案：
方案
电动机型号
额定功率ped/kw
电动机转速/r/min
同步
满载
1
Y90L-4
1.5
1500
1400
2
Y100L-6
1.5
1000
940
3
Y132S-8
2
750
710
对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。
若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。
由表中两种方案，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、结构和带传动及减速器的传动比，认为方案1的传动比较合适，所以选定电动机的型号为Y90L-4。
Y112M-6电动机数据如下:
额定功率：
1.5Kw
满载转速：
n满=1400r/min
同步转速：
1500r/min
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配
1．传动装置的总传动比
通过分配轴转速为15r/min选择合适的减速器，计算可知总传动比为I=1400/15=93。
根据这个我选择V带+二级圆柱斜齿轮减速器。
2．分配各级传动比
根据《机械设计课程设计》表2.2选取，对于三角V带传动，为避免大带轮直径过大，选取i12=2.5；
则减速器的总传动比为i减=i总/2.5=93/2.5=37.2
对于两级圆柱斜齿轮减速器，按两个大齿轮具有相近的浸油深度分配传动比，取ig=1.3id，因此，
i减=ig×id=1.3id2=37.2
id2=37.2/1.3=28.615
id=5.34
ig=1.3id=1.3×5.34=6.95
注：
ig-高速级齿轮传动比；
id–低速级齿轮传动比；
3.4传动装置的运动和动力参数计算
计算各轴的转速：
电机轴：
n电=1400r/min
Ⅰ轴nⅠ=n电/i带=1400/2.5=560r/min
Ⅱ轴nⅡ=nⅠ/ig=560/6.95=80.58r/min
Ⅲ轴nⅢ=nⅡ/id=80.58/5.34=15.09r/min
计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴：
输入功率PⅠ=Pdη带=1.049×0.96=1.007kw
输出功率PⅠ=1.007η轴承=1.007×0.99=0.99kw
Ⅱ轴：
输入功率PⅡ=0.99×η齿轮=0.99×0.97=0.97kw
输出功率PⅡ=0.97×η轴承=0.97×0.99=0.96kw
Ⅲ轴输入功率PⅢ=0.96×η齿轮=0.96×0.97=0.93kw
输出功率PⅢ=0.93×η轴承=0.93×0.99=0.92kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩Td=9.55×106×Pd/n电=9.55*106*1.049/1400
=7.2×103N·mm
Ⅰ轴：
输入转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×1.007/560
=17.2×103N·mm
输出转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×0.99/560
=16.88×103N·mm
Ⅱ轴：
输入转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×0.97/80.58
=114.96×103N·mm
输出转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×0.96/80.58
=113.78×103N·mm
Ⅲ轴输入转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×0.93/15.09
=588.57×103N·mm
输出转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×0.92/15.09
=552.58×103N·mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
轴名
功率p/kw
转矩T（N·mm）
转速n/r·min-1
传动比i
效率η
输入
输出
输入
输出
电机轴
1.5
33.6×103
1400
2.5
Ⅰ轴
1.007
0.99
17.2×103
16.88×103
560
6.95
Ⅱ轴
0.97
0.96
114.96×103
113.78×103
80.58
5.34
Ⅲ轴
0.93
0.92
588.57×103
552.58×103
15.09
四、设计小结
这次课程设计，我拿到的题目是玻璃瓶印花机构及传动装置。
其实它就是运用机械原理课上所学过的连杆机构，凸轮，带传动，间歇运动，齿轮传动，链条传动原理等。
通过对有关书籍的参考，和老师耐心的教导，我对于我的设计产生了灵感，也引发了我浓厚的兴趣。
找对了方向也就找到了设计的突破口。
这为我以后的毕业设计带来了很大的方便。
原来此设计的关键点在于间歇机构的设计与运用。
我在学校的图书馆找到一些相关的资料,回来查了查,看到了很多机构,使我开阔了眼界，也学习到了很多设计方法和思想。
在设计的过程中，我也遇到了很多问题，比如CAD的画法，PRO-E的渲染方法，传动机构的计算等，都在老师、同学和书籍的帮助下一一破解。
不仅让我学习到解决问题的方法，也体会到成功的喜悦。
同时为大四的毕业设计会有很大帮助。
在机械原理课上所学的知识是比较理论化的，通过这些理论我了解了一些机构的运动方案与运动轨迹，至于这些构件、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完成课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正
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